1 微機(jī)繼電保護(hù)測(cè)試儀的優(yōu)化控制系統(tǒng)研究

　　隨著我國(guó)電力工業(yè)裝機(jī)容量的增加和用電側(cè)負(fù)荷峰谷差的增大，大型火電機(jī)組經(jīng)常處于低負(fù)荷工況下運(yùn)行。隨之而來(lái)的問(wèn)題是：變負(fù)荷工況下機(jī)組的能耗特性和控制特性發(fā)生了顯著變化，以機(jī)組額定工況條件為主設(shè)計(jì)的運(yùn)行及控制系統(tǒng)不能適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間在較低負(fù)荷下的變工況**經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的需要。當(dāng)前火電機(jī)組的自動(dòng)控制一般是基于給定的參數(shù)定值和跟蹤負(fù)荷指令運(yùn)行的，因此機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)不一定處于*優(yōu)狀態(tài)。研究機(jī)組在當(dāng)前較寬變工況范圍(100%~40%額定負(fù)荷)內(nèi)的能耗特性與節(jié)能優(yōu)化控制方法，設(shè)計(jì)機(jī)組在更寬負(fù)荷范圍內(nèi)的在線(xiàn)性能分析系統(tǒng)和節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)具有深遠(yuǎn)的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

　　為此，我們承擔(dān)了國(guó)家電力公司的重大科技項(xiàng)目“火電機(jī)組變負(fù)荷特性及優(yōu)化控制系統(tǒng)研究”的研究任務(wù)，項(xiàng)目的意義在于深入揭示火電機(jī)組變負(fù)荷工況下的內(nèi)在特性變化規(guī)律，并以此為依據(jù)，監(jiān)測(cè)其能耗經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)和選擇*佳運(yùn)行方式，確定相應(yīng)的節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)，以達(dá)到機(jī)組能夠在更寬負(fù)荷范圍內(nèi)**經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。

　　2微機(jī)繼電保護(hù)測(cè)試儀的優(yōu)化控制系統(tǒng)研究

　　隨著國(guó)內(nèi)用電市場(chǎng)的變化，各研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始重視火電機(jī)組節(jié)能耗差及優(yōu)化控制的研究，但這個(gè)領(lǐng)域中仍存在一些問(wèn)題或需要做進(jìn)一步的工作：

　　1)研究都是定性的，還不能定量描述。在實(shí)用負(fù)荷范圍內(nèi)，運(yùn)行方式對(duì)能耗影響的規(guī)律尚無(wú)準(zhǔn)確的方法確定。
　　2)機(jī)組額定初壓不同，運(yùn)行方式對(duì)能耗影響的規(guī)律就不同。一般來(lái)說(shuō)超臨界機(jī)組滑壓運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)較明顯。機(jī)組初壓越低，定壓運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)越明顯。不同設(shè)計(jì)參數(shù)的機(jī)組運(yùn)行方式對(duì)能耗的影響需要定量研究[1]。
　　3)滑壓運(yùn)行優(yōu)勢(shì)的另一方面在于汽輪機(jī)的內(nèi)效率能保持較高的數(shù)值，但不同的機(jī)組、不同負(fù)荷其內(nèi)效率也不同，這不僅需要理論分析，而且需要實(shí)驗(yàn)才能測(cè)定。
　　4)運(yùn)行方式不同，還會(huì)影響再熱汽溫。再熱器欠溫、再熱器噴水減溫對(duì)能耗的影響較大。此項(xiàng)能耗偏差仍屬運(yùn)行方式對(duì)能耗影響，但是再熱汽溫特性是鍋爐設(shè)備的固有特性，理論分析非常困難，只能對(duì)具體機(jī)組用實(shí)驗(yàn)方法解決，在目前的一些分析中該項(xiàng)能耗偏差未計(jì)入運(yùn)行方式對(duì)能耗率影響的因素，因此，得出的結(jié)論是不**的。
　　5)當(dāng)前機(jī)組控制設(shè)備性能已經(jīng)大大提高，廣泛使用集散控制系統(tǒng)(DCS)，為機(jī)組優(yōu)化控制提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。如何將機(jī)組能耗分析結(jié)果與控制相結(jié)合，如提供合理的控制定值等，是節(jié)能優(yōu)化控制的目的之一。
　　6)當(dāng)前控制系統(tǒng)還廣泛采用PID控制方式，但研究表明，很多控制回路都處于非優(yōu)化整定狀態(tài)。如何準(zhǔn)確辨識(shí)被控對(duì)象特性，并進(jìn)行控制器參數(shù)優(yōu)化整定，是提高控制系統(tǒng)性能的有效途徑 [2]。

　　3 關(guān)鍵問(wèn)題的研究及處理

　　3.1 蒸汽初壓對(duì)熱經(jīng)濟(jì)影響的原因

　　在同一負(fù)荷下，以較低初壓運(yùn)行方式對(duì)熱經(jīng)濟(jì)性影響為

　　1)選用較低初壓，使理論循環(huán)熱效率降低，熱耗率增大。
　　2)選用較低的初壓，調(diào)節(jié)級(jí)壓比變化較小，使調(diào)節(jié)級(jí)能保持較高的內(nèi)效率，使熱經(jīng)濟(jì)性提高。
　　3)選用較低的初壓，使高壓缸排汽溫度降低不多，再熱器不容易欠溫，可使中低壓缸保持較高的效率。并由此使汽輪機(jī)排汽干度增加，使汽輪機(jī)尾部?jī)?nèi)效率提高。
　　4)選用較低的初壓，使給水泵壓升減小，節(jié)省泵功。

　　3.2 高準(zhǔn)確度機(jī)組耗差分析模型建立

　　由于傳統(tǒng)火電機(jī)組節(jié)能在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在流量參數(shù)測(cè)量不準(zhǔn)、修正曲線(xiàn)準(zhǔn)確性差、以靜態(tài)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的火電機(jī)組節(jié)能在線(xiàn)監(jiān)測(cè)不適用寬負(fù)荷調(diào)峰等不足[4] [5] [6]，我們新開(kāi)發(fā)了如下三個(gè)數(shù)學(xué)模型：

　　1)電廠熱經(jīng)濟(jì)性狀態(tài)方程包括三個(gè)基本方程[7]：電廠熱力系統(tǒng)汽水分布標(biāo)準(zhǔn)方程、系統(tǒng)內(nèi)部功率輸出方程和鍋爐吸熱量方程，能耗指標(biāo)是這三個(gè)方程聯(lián)合求解的結(jié)果。系統(tǒng)的能耗率只與當(dāng)前的熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行狀態(tài)下的熱力學(xué)參數(shù)和輔助系統(tǒng)的小汽水流量份額有關(guān)，與主蒸汽流量的**值并無(wú)直接關(guān)系。由于熱經(jīng)濟(jì)狀態(tài)方程是解析的，它為系統(tǒng)節(jié)能分析提供了新的有力工具。
　　2)凝汽式汽輪機(jī)末級(jí)流動(dòng)狀態(tài)判別定理及弗留格爾公式的改進(jìn)[8]。用我們課題組研究的“斯陀托拉流量實(shí)驗(yàn)部分結(jié)論的證明和弗留格爾公式的改進(jìn)”，可迅速判別末級(jí)所處的流動(dòng)狀態(tài)，在變工況理論基礎(chǔ)上對(duì)處于濕蒸汽區(qū)末一、末二級(jí)進(jìn)行變工況計(jì)算，無(wú)需迭代可一次算出處于濕蒸汽區(qū)的抽汽焓和排汽焓值(保證誤差在0.5%以?xún)?nèi))。
　　3)耗差分析中的順序擾動(dòng)解除法[9]。當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)可以看作是系統(tǒng)由設(shè)計(jì)工況經(jīng)一系列擾動(dòng)得到的，因而可以按一定順序逐漸解除擾動(dòng)。每解除一個(gè)擾動(dòng)重新進(jìn)行變工況計(jì)算，擾動(dòng)解除后，計(jì)算其能耗率。解除前后能耗率之差即為該項(xiàng)擾動(dòng)造成的能耗差。該方法保證了能損原因查找率和單項(xiàng)能損偏差準(zhǔn)確度。

　　3.3 汽輪機(jī)及熱力系統(tǒng)*優(yōu)運(yùn)行數(shù)學(xué)模型建立

　　在任意負(fù)荷下總存在著某一蒸汽初壓和調(diào)節(jié)汽門(mén)開(kāi)度滿(mǎn)足當(dāng)前負(fù)荷，微機(jī)繼電保護(hù)測(cè)試儀的優(yōu)化控制系統(tǒng)研究，若機(jī)組達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在設(shè)計(jì)工況下，kF)(0kFPfN−=)(0kdddFPfN−=，若機(jī)組沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求或運(yùn)行時(shí)其它參數(shù)偏離設(shè)計(jì)值，則有。當(dāng)負(fù)荷從額定出力逐漸降低時(shí)：若保持蒸汽初壓不變，僅改變(減小)調(diào)節(jié)汽門(mén)開(kāi)度，稱(chēng)為純定壓運(yùn)行;若保持調(diào)節(jié)門(mén)開(kāi)度不變，即，稱(chēng)為純滑壓運(yùn)行。當(dāng)純定壓運(yùn)行降低到某一負(fù)荷時(shí)，設(shè)其對(duì)應(yīng)的初壓為，從此狀態(tài)開(kāi)始，當(dāng)負(fù)荷再降低時(shí)，維持初壓)(’’0kdddFPfN−=dPP00=’’kdF’’’’kdkFF=sP0sPP00=不變，僅改變調(diào)節(jié)門(mén)開(kāi)度，這種運(yùn)行方式稱(chēng)為定—滑方式運(yùn)行。定—滑方式運(yùn)行還存在從什么負(fù)荷開(kāi)始滑和什么時(shí)候又開(kāi)始定的問(wèn)題。總之，對(duì)應(yīng)某一負(fù)荷，可選擇的蒸汽初壓在很大范圍內(nèi)可供選擇。根據(jù)以上的原則，汽輪機(jī)的負(fù)荷與新蒸汽壓力的*優(yōu)值的關(guān)系應(yīng)該由(1)式來(lái)dPP00≤確定，從而動(dòng)態(tài)地確定汽輪機(jī)的*優(yōu)初壓與負(fù)荷的關(guān)系曲線(xiàn)。 

　　3.4 鍋爐部分經(jīng)濟(jì)性分析模型建立

　　傳統(tǒng)計(jì)算鍋爐效率的反平衡方法是從運(yùn)行結(jié)果值出發(fā)，測(cè)定一系列運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)而計(jì)算得出各項(xiàng)損失，*終得出鍋爐熱效率。通過(guò)傳統(tǒng)方法計(jì)算得出的*終結(jié)果不能定量反映造成各項(xiàng)損失的原因，不利于在線(xiàn)耗差分析與優(yōu)化控制。我們通過(guò)對(duì)燃燒理論及鍋爐運(yùn)行原理的認(rèn)真研究推理，綜合考慮煤質(zhì)特性及運(yùn)行工況變化對(duì)鍋爐效率的影響，推導(dǎo)出以下解析評(píng)估模型：

　　1)鍋爐機(jī)械不完全燃燒損失解析評(píng)估模型; 4q
　　2)鍋爐排煙溫度應(yīng)達(dá)值解析評(píng)估模型;
　　3)運(yùn)用規(guī)劃數(shù)學(xué)原理確定*佳爐膛出口過(guò)量空氣系數(shù);
　　4)結(jié)合正、反平衡計(jì)算原理，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)驗(yàn)證，提出一套新的計(jì)算鍋爐效率的計(jì)算方法，該方法只需根據(jù)DAS所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)了鍋爐效率在線(xiàn)計(jì)算。

　　3.5 300MW機(jī)組控制用數(shù)學(xué)模型建立

　　我們采用機(jī)理法建立了常用熱力設(shè)備及系統(tǒng)的通用動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，編制相應(yīng)的Matlab自定義函數(shù)，在Simulink中建立了一套通用的熱工過(guò)程動(dòng)態(tài)模型算法庫(kù)，包括汽機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型、汽機(jī)本體數(shù)學(xué)模型、除氧器數(shù)學(xué)模型、給水回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)數(shù)學(xué)模型、鍋爐系統(tǒng)蒸發(fā)區(qū)模型、爐膛換熱模型等。由于模型是采用機(jī)理法建立的，從本質(zhì)上反映了機(jī)組的非線(xiàn)性，較當(dāng)前控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常用的傳遞函數(shù)模型更接近機(jī)組實(shí)際，為先進(jìn)控制算法的設(shè)計(jì)仿真提供了一個(gè)通用平臺(tái)。為了使模型適用于特定機(jī)組，我們研究開(kāi)發(fā)了通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正的方法。模型建好后，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算各熱力設(shè)備及系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的系數(shù)，逐步組態(tài)出各子系統(tǒng)的模型，并進(jìn)一步連接成更大的模型，*終形成火電機(jī)組整體動(dòng)態(tài)模型。

3.6 控制系統(tǒng)魯棒性分析和參數(shù)整定 

　　由于模型的不**性，所以要求所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)應(yīng)具有一定的魯棒性[10]。為此，我們定義了一個(gè)表示魯棒性的指標(biāo)ε，它能夠反映串級(jí)控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)和外環(huán)的相互作用并清楚地表明每個(gè)環(huán)路的魯棒性。與常規(guī)先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的整定方法不同，這里每個(gè)回路可以分別整定，因此更加靈活[10]。

　　在串級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)或整定中，給定一個(gè)魯棒性限制條件mγ，解決式(2)的*優(yōu)化問(wèn)題： ∫∞0)(min21dttedyts mMγμ<Δ)( (2)

　　式(2)中是對(duì)象輸出由于內(nèi)環(huán)擾動(dòng)而產(chǎn)生的偏差，21dye1y2d)(MΔμ為魯棒性指標(biāo)。

　　魯棒性指標(biāo))(MΔμ曲線(xiàn)可以作為串級(jí)控制整定的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)：如果高頻峰值太大則調(diào)低內(nèi)環(huán)的魯棒性，反之則調(diào)高內(nèi)環(huán)的魯棒性;類(lèi)似的，如果低頻峰值太大則調(diào)低外環(huán)的魯棒性，反之調(diào)高外環(huán)的魯棒性。與傳統(tǒng)反饋控制相似，魯棒性指標(biāo)應(yīng)介于3和5之間以取得較好的魯棒性。

　　4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

　　本系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)獲取機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要包括過(guò)程參數(shù)(流量、壓力、溫度等)、輔機(jī)功率及離線(xiàn)分析數(shù)據(jù)(如煤發(fā)熱量等)。如何將這些數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠地傳送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行分析運(yùn)算，是需要首先考慮的問(wèn)題。

　　根據(jù)項(xiàng)目依托工程單位300MW機(jī)組現(xiàn)狀，其控制系統(tǒng)采用Siemens的Telemerm Me集散控制系統(tǒng)和ABB的Symphony,大部分機(jī)組參數(shù)已經(jīng)進(jìn)入DCS，部分新加參數(shù)無(wú)法直接進(jìn)入DCS的，如主要輔機(jī)功率信號(hào)等，則通過(guò)多功能電能變送器ZD405CT采集，經(jīng)RS485通信線(xiàn)路送往耗差分析計(jì)算機(jī)。

　　實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示。該方案分別通過(guò)WinIS及ZD405CT獲得機(jī)組實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)一方面供耗差分析與優(yōu)化控制系統(tǒng)使用，另一方面上傳至耗差分析服務(wù)器，以便在MIS網(wǎng)上顯示耗差分析結(jié)果并提供查詢(xún)。本系統(tǒng)中由于增加了獨(dú)立的耗差分析服務(wù)器，有效地實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與MIS系統(tǒng)的隔離，辦公室中的PC機(jī)上單獨(dú)安裝耗差分析客戶(hù)端程序。

　　耗差分析系統(tǒng)與WinIS通過(guò)SIS(監(jiān)控信息系統(tǒng))網(wǎng)絡(luò)相連，并通過(guò)SIS網(wǎng)絡(luò)將分析計(jì)算結(jié)果及操作指導(dǎo)信息提供給系統(tǒng)維護(hù)工程師及運(yùn)行操作員。

　　對(duì)于管理人員來(lái)說(shuō)，耗差分析系統(tǒng)分析結(jié)果可以通過(guò)MIS網(wǎng)絡(luò)，以瀏覽器的方式觀察。該方案的特點(diǎn)是：

　　1)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)合理。在控制網(wǎng)絡(luò)與MIS網(wǎng)絡(luò)之間增加監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)SIS，既滿(mǎn)足了耗差分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性的要求，又避免了MIS網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性差對(duì)系統(tǒng)的影響;
　　2)便于為不同的使用者提供相應(yīng)的顯示操作界面。如工程師站、操作員站要求顯示界面內(nèi)容詳實(shí)、實(shí)時(shí)性好、可靠性高，管理人員要求顯示界面操作簡(jiǎn)潔、便于使用;
　　3)將廠級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)劃分為SIS(監(jiān)控信息系統(tǒng))與MIS(管理信息系統(tǒng))是當(dāng)前被普遍認(rèn)可的方式，SIS主要處理全廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，完成廠級(jí)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控和管理，廠級(jí)故障診斷和分析，廠級(jí)性能計(jì)算、分析和經(jīng)濟(jì)負(fù)荷調(diào)度等。

　　5 結(jié)論